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终于有人把ROS机器人操作系统讲明白了

 

一ROS简介

可能很多初学者听到机器人操作系统,就被“操作系统”几个字吓住了。其实简单点说,ROS就是一个分布式的通信框架,帮助程序进程之间更方便地通信。
一个机器人通常包含多个部件,每个部件都有配套的控制程序,以实现机器人的运动与视听功能等。那么要协调一个机器人中的这些部件,或者协调由多个机器人组成的机器人集群,怎么办呢?这时就需要让分散的部件能够互相通信,在多机器人集群中,这些分散的部件还分散在不同的机器人上。解决这种分布式通信问题正是ROS的设计初衷。
随着越来越多的人参与ROS开发及源码贡献,社区涌现出大量的第三方工具和实用开源软件包,使ROS变成现在的样子。
一个经常让初学者困惑的地方是,学会了ROS就是学会机器人开发了吗?当然不是,严格意义上讲ROS只是一套通信框架而已,机器人中的各种算法和应用程序依然是用C++、Python等常见编程语言进行开发的。
在正式学习ROS之前,先介绍ROS的几个特性,即元操作系统、分布式通信机制、松耦合软件框架、丰富的开源功能库等,来帮大家建立一些感性的认识。
ROS是一个机器人领域的元操作系统。也就是说,它并不是真正意义上的操作系统,其底层的任务调度、编译、设备驱动等还是由它的原生操作系统Ubuntu Linux完成。
ROS实际上是运行在Ubuntu Linux上的亚操作系统,或者说软件框架,但提供硬件抽象、函数调用、进程管理这些类似操作系统的功能,也提供用于获取、编译、跨平台的函数和工具。
ROS的核心思想就是将机器人的软件功能做成一个个节点,节点之间通过互相发送消息进行沟通。这些节点可以部署在同一台主机上,也可以部署在不同主机上,甚至还可以部署在互联网上。ROS网络通信机制中的主节点(master)负责对网络中各个节点之间的通信过程进行管理调度,同时提供一个用于配置网络中全局参数的服务。
ROS是松耦合软件框架,利用分布式通信机制实现节点间的进程通信。ROS的软件代码以松耦合方式组织,开发过程灵活,管理维护方便。
ROS具有丰富的开源功能库。ROS是基于BSD(Berkeley Software Distribution,伯克利软件发行)协议的开源软件,允许任何人修改、重用、重发布以及在商业和闭源产品中使用,使用ROS能够快捷地搭建自己的机器人原型。
与Linux发行版类似,ROS发行版内置了一系列常用功能包,即将ROS系统打包安装到原生系统中。ROS最初是基于Ubuntu系统开发的,ROS的发行版本名称也和Ubuntu采用了同样的规则,即版本名称由两个相同首字母的英文单词组成,版本首字母按字母表递增顺序选取,图1-1展示了ROS的一些主要版本。

▲图1-1 ROS的主要版本
要想学好以及用好ROS,需要进行大量的实践操作。因此在快速了解ROS的核心概念和编程范式后,就要结合大量的实际项目来深入理解ROS。学会用正确的方式解决问题,能帮你更快地提高能力。ROS的学习资源主要有以下几个。
安装完ROS后,很多朋友应该迫不及待想立马开始写程序。由于ROS的架构比较复杂,为了后面容易理解遇到的各种概念,这里先讨论一下ROS的系统架构,好让大家对ROS中的各种概念有全面性把控。按照官方的说法,可以分别从计算图、文件系统和开源社区视角来理解ROS架构。
ROS中可执行程序的基本单位叫节点(node),节点之间通过消息机制进行通信,这样就组成了一张网状图,也叫计算图,如图1-3所示。

▲图1-3 ROS的计算图结构
节点是可执行程序,通常也叫进程。ROS功能包中创建的每个可执行程序在被启动加载到系统进程中后,就是一个ROS节点,如图1-3中的节点1、节点2、节点3等。
节点之间通过收发消息进行通信,消息收发机制分为话题(topic)、服务(service)和动作(action)三种,如图1-3中的节点2与节点3、节点2与节点5采用话题通信,节点2与节点4采用服务通信,节点1与节点2采用动作通信。计算图中的节点、话题、服务、动作都要有唯一名称作为标识。
ROS利用节点将代码和功能解耦,提高了系统的容错性和可维护性。所以最好让每个节点都具有特定的单一功能,而不是创建一个包罗万象的庞大节点。如果用C++编写节点,需要用到ROS提供的roscpp库;如果用Python编写节点,需要用到ROS提供的rospy库。
消息是构成计算图的关键,包括消息机制和消息类型两部分。消息机制有话题、服务和动作三种,每种消息机制中传递的数据都具有特定的数据类型(即消息类型),消息类型可分为话题消息类型、服务消息类型和动作消息类型。消息机制和消息类型将在1.5节中展开讲解。
数据包(rosbag)是ROS中专门用来保存和回放话题中数据的文件,可以将一些难以收集的传感器数据用数据包录制下来,然后反复回放来进行算法性能调试。
参数服务器能够为整个ROS网络中的节点提供便于修改的参数。参数可以认为是节点中可供外部修改的全局变量,有静态参数和动态参数。静态参数一般用于在节点启动时设置节点工作模式;动态参数可以用于在节点运行时动态配置节点或改变节点工作状态,比如电机控制节点里的PID控制参数。
主节点负责各个节点之间通信过程的调度管理。因此主节点必须要最先启动,可以通过roscore命令启动。
ROS程序的不同组件要放在不同的文件夹中,这些文件夹根据不同的功能对文件进行组织,这就是ROS的文件系统结构,如图1-4所示。

▲图1-4 ROS的文件系统结构
工作空间是一个包含功能包、编译包和编译后可执行文件的文件夹,用户可以根据自己的需要创建多个工作空间,在每个工作空间中开发不同用途的功能包。在图1-4中,我们创建了一个名为catkin_ws的工作空间,其中包含src、build和devel三个文件夹。
功能包是ROS中软件组织的基本形式,具有创建ROS程序的最小结构和最少内容,它包含ROS节点源码、脚本、配置文件等。
ROS是开源软件,各个独立的网络社区分享和贡献软件及教程,形成了强大的ROS开源社区,如图1-5所示。

▲图1-5 ROS的开源社区结构
ROS的发展依赖于开源和共享的软件,这些代码由不同的机构共享和发布,比如GitHub源码共享、Ubuntu软件仓库发布、第三方库等。ROS的官方wiki是重要的文档讨论社区,在里面可以很方便地发布与修改相应的文档页面。ROS的answer主页里有大量ROS开发者的提问和回答,对ROS开发中遇到的各种问题的讨论很活跃。
关于作者:张虎,深圳市睿思智行科技有限公司CEO。曾就职于深圳市智能机器人研究院,主持机器人自主导航方面的研究项目。工作期间以网名“小虎哥哥爱学习”在知乎、CSDN、bilibili等平台创作了大量机器人SLAM导航相关的优质博客文章及视频教程,深受广大网友的喜爱。他对强人工智能的研究非常感兴趣,并致力于将具有先进智能的机器人进行产业化落地。
本文摘编自《机器人SLAM导航:核心技术与实战》,经出版方授权发布。(ISBN:9787111697428)

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